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1．课题来源及选题的目的和意义 课题的来源：教师科研项目 选题的目的及意义： 从上世纪40年代瑞典人发明热磨片以来，热磨机磨片已经历了半个多世纪的发展。其磨片材质的变迁，是由铸铁到铸钢，由单一金属到合金，由单一的高硬度到综合技术特性，由单一的抗机械磨损到同时抗腐蚀磨损，由以热处理提高性能为主到同时以合金化提高性能为主的发展过程。通过对不锈钢磨片以及多元合金磨片、高铬铸铁磨片作耐磨性比较，结果表明：多元合金磨片及高铬铸铁磨片比不锈钢磨片具有更好的耐磨性。对于怎样提高高铬铸铁的韧性，使得高铬铸铁的硬度和韧性获得良好的配合，从而得到良好的耐磨性能，是人们长期以来一直研究的一个重要方向。虽然人们已较全面的研究了影响高铬铸铁的硬度、韧性以及耐磨性的因素，也对高铬铸铁采用了一定的处理措施，比如合金化、变质处理、热处理等，使的高铬铸铁的综合性能得到了明显提高。但是由于高铬铸铁中所含的合金元素以及其铸造工艺等方面的限制因素，使得在提高其硬度的同时，要保证高铬铸铁具有良好的冲击韧性也是影响高铬铸铁实际使用的重要条件。 另外，由于高铬铸铁的广泛使用，对于高铬铸铁的实际工况条件也存在很大差异，高铬铸铁的高温氧化在不同的工况条件下其高温氧化机制也有所不同。因此研究高铬铸铁在不同工况条件下的高温氧化，对于充分发挥高铬铸铁的性能有着至关重要的作用。 本文通过对Cr26高铬铸铁进行热处理试验，研究退火温度和淬火温度以及回火温度对Cr26高铬铸铁组织和性能的影响，优化其最佳热处理工艺。最后并对铸态Cr26高铬铸铁进行了高温抗氧化研究，研究铸态Cr26高铬铸铁在高温下的使用范围，为实际生和 使用提供参考。 |
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2．本课题所涉及的内容国内外研究现状综述 高铬铸铁是当今特别重视的一种抗磨材料，它一般是指含铬量在12%~28%，含碳量在2.4%~3.6%之间，铬碳比超过3.5的合金白口铸铁[4,5]。高铬铸铁研发于20世纪初，当时人们对高铬铸铁的了解较少，性能潜力并未得到充分发挥，因而没有得到广泛使用。在20世纪60年代，感应熔炉的广泛普及，高铬铸铁在一些西方发达国家开始得到了广泛的应用，而我国是在20世纪80年代初才开始广泛使用。近年来，国内外对高铬铸铁的研究开始逐渐深入，从生产铸造工艺到合金化理论都取得了很大进展[6]。 我国铬系白口铸铁的标准中主要有Km TBCr8、Km TBCr12、Km TBCr15Mo、Km TBCr20Mo四种牌号，对于目前这些铬系铸铁已经在很多的领域取代了耐磨钢及低合金钢，从而获得了良好的经济效益和社会效益，使高铬铸铁成为当今广泛应用的抗磨材料[7]。高铬铸铁中的碳化物主要是呈板条状或网状的M7C3 型碳化物，其显微硬度能达到HV l300-1800，并且这种碳化物在组织中的分布是不连续的，因此具有较高的抗磨性。高铬铸铁的碳化物孤立的镶嵌在基体中，如果要充分发挥其抗磨作用，就需要有坚硬的基体来支撑和保护，从而使碳化物在磨损过程中不易剥落和断裂。因此需要有高硬度的基体与高硬度的碳化物互相配合，才能使高铬铸铁的高耐磨性发挥出来。然而金属基体中的马氏体较其他基体更为坚硬，在对高铬铸铁进行热处理时，是为了得到马氏体基体的必要手段[8,9]，因此要获得坚硬的马氏体基体，研究高铬铸铁的热处理工艺是很关键的。 高铬铸铁的性能主要取决于其显微组织，碳化物的种类、数量以及分布形状况都会直接影响高铬铸铁的耐磨性和韧性，而基体组织在磨损过程中能否给碳化物提供牢固的支撑，使其不会在高应力冲击作用下脱落也是至关重要的[10]。 高铬铸铁的铸态组织一般是由初生奥氏体+碳化物+少量马氏体组织和铁素体组成；有时也会存在一些珠光体组织，但是珠光体的硬度低且属于脆性组织，因而一般情况下不希望得到珠光体组织。高铬铸铁中各种基体组织的显微硬度为：马氏体HV 500~1000，奥氏体HV 300~600，铁素体HV 70~200，珠光体HV 300~460，其中马氏体的硬度最高，抗磨损性能也最好，但是在高应力冲击下可能会因为韧性的不足而断裂，此时韧性较好的奥氏体组织的耐磨性却较好。 奥氏体为基体的高铬铸铁的韧性较好，在一些冲击工况条件下，奥氏体组织会受到加工硬化的作用，从而改善其表面受冲击的耐磨性能，这种加工硬化可以让高铬铸铁的表面硬度达到HV 900~950，但是加工硬化层的深度较浅，受应力冲击表面以下的奥氏体很软，不能给碳化物提供充分的支撑作用，因而与马氏体基体高铬铸铁相比，其耐磨性要低很多。 如果高铬铸铁凝固过程中，奥氏体中能析出次生碳化物，那么这些次生碳化物附近的奥氏体含碳量将降低，使马氏体开始转变温度Ms 点提高，冷却后组织中可能存在少量的马氏体组织。 高铬铸铁一般都需要经过适当的热处理工艺，才能使高铬铸铁的基体组织转变为马氏体组织。以马氏体为基体的高铬铸铁的韧性比以奥氏体为基体的高铬铸铁低，但硬度却要高很多，同时才能为碳化物提供坚固的基体支撑，因此耐磨性好。但是由于韧性的不足，在受到高应力的冲击时会发生脆性断裂而脱落，此时就应该考虑到使用铸态的奥氏体基体的高铬铸铁。 无论是以奥氏体为基体还是以马氏体为基体的高铬铸铁，都应当防止基体组织中产生珠光体组织或贝氏体组织，因为珠光体和贝氏体组织存在会使高铬铸铁的耐磨性和抗脆裂能力降低，从而影响高铬铸铁的使用安全性及其使用寿命。 |
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3．本课题有待解决的主要关键技术问题 （1）Cr26高铬铸铁在不同退火加热温度对组织和性能的影响； （2）Cr26高铬铸铁在同一退火温度不同保温时间下对组织与性能的影响； （3）Cr26高铬铸铁在不同淬火+回火加热温度下对组织和性能的影响； （4）Cr26高铬铸铁预处理后和没热处理的组织和性能区别； （5）Cr26高铬铸铁在不同高温下的抗氧化性研究。 |
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4．课题研究的内容和实施方案（主要包括研究内容、拟采用的研究方法、技术路线、预期成果、所采取方案的可行性分析等） 本课题主要研究Cr26高铬铸铁在不同预处理加热温度、不同淬火+回火加热温度对组织与性能的改变来确定最佳组织和性能下的最佳工艺和高温下的抗氧化行为。 （1）上网查阅国内外对高铬铸铁研究的最新发展，集合高铬铸铁的Fe-Cr-C相图以及在现实生活中的实际运用合理的进行安排工艺流程。 （2）选择实验材料具体成分如表1-1： 表1-1 Cr26高铬铸铁化学元素含量
（3）将所选高铬铸铁材料用线切割切取成10 mm×10 mm×10 mm的试样。 （4）将高铬铸铁试样在800~980 ℃温度下间隔30 ℃进行加热比较，选择最佳的预处理温度。 （5）选择最佳预处理温度下的试样和铸态试样在960~1100 ℃温度下间隔30 ℃进行加热比较,选择最佳的淬火温度。 （6）选择最佳的淬火温度的试样进行回火。 （7）选择铸态试样在900~1200 ℃温度下间隔100 ℃进行加热，到温后分别保温时间为20 h、40 h、60 h、80 h、100 h，探究其高温下的氧化性。 （8）将高铬铸铁在不同热处理下的组织进行比较，研究不同热处理下组织的变化情况。 （9）获得组织、性能最佳的热处理工艺以及高温下的适用范围。 预期成果： 1）通过实验研究:Cr26高铬铸铁铸态组织是由奥氏体+莱氏体+少量马氏体组成。随热处理温度升高，首先是莱氏体中的奥氏体向马氏体转变，然后先共晶奥氏体的边缘也向马氏体转变。 2）通过实验研究：Cr26高铬铸铁在900 ℃以下时具有良好的抗氧化行为，因为行成一层致密的复杂结构的氧化膜，除Cr2O3外，还有FeCr2O4相。 |
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5．完成本课题的工作计划及进度安排(包括文献查阅、外文翻译、开题报告、方案设计与实现、计算与实验、论文撰写等) 设计总共16周。具体安排如下： 2016.02.029~2016.30.28：调研、收集资料（书籍和案例）、外文翻译； 2016.02.29~2016.03.28：撰写开题报告； 2016.03.26~2016.03.30：列出一系列高铬铸铁的热处理方式，最后确定方案； 2016.04.02~2016.05.01：实际进行高铬铸铁的热处理，记录各个阶段的数据与图片； 2016.05.03~2016.05.10：进行系统化的分析，分析所有的数据与图片确定最佳组织和性能下高铬铸铁的最佳热处理工艺； 2016.05.12~2016.06.19：论文撰写、装订与提交，准备答辩。 |
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6．参考文献 [1] 孙凯, 付拴拴, 唐光东, 等. 高铬铸铁的研究现状[J]. 热加工工艺, 2012, 41(12):53-55. [2] 王洪发. 金属耐磨材料的现状与展望[J]. 铸造, 2000, 49(增刊): 577-579. [3] Chang L M, Liu J H. Effect of Hot Deformation on Formation and Growth of Thermal Fatigue Crack in Chromium Wear Resistant Cast Iron[J]. Journal of iron and stell research, international. 2006, 13(1): 36-39. [4] 李海鹏, 梁春永, 王立辉. 铬系白口铸铁的研究进展[J]. 中国铸造装备与技术, 2006, 5:8-12. [5] 子澍. 展望高铬铸铁的发展[J]. 铸造技术, 2008, 29(10): 1417-1420. [6] 张文杰, 袁洪波, 陈丽, 等. 热处理对高铬铸铁组织、硬度和磨损性能的影响[J]. 热加工工艺, 2012, 41(16): 203-205. [7] Correa R, Bedolla-Jacuinde A, Mejia I, etal. Effect of boron on microstructure of directionally solidified high-chromium white irons[J]. Wear, 2009, 267(1-4): 495-504. [8] Liu H H, Wang J, Yang H S. Effect of cryogenic treatment on property of 14Cr2Mn2V high chromium castiron subjected to subcritical treatment[J]. Journal of Iron and Steel Research, International, 2006, 13(6): 43-48. [9] 王淑花, 王树成, 徐玉荣. 高铬铸铁不同处理后的组织性能研究[J]. 铸造技术, 2013, 34(9): 1145-1146. [10] 郭长庆, 程军. 多元合金化复合变质处理对高铬铸铁锤头组织和性能的影响[J]. 铸造, 2007, 56(5): 482-485. |